沿海(江)水闸二级消力池消能特性研究

邢超锋

(上海上咨工程设计有限公司，上海 200000)

0 引言

沿海(江)水闸闸下潮位变幅较大，使出闸水流从自由流到淹没流，从急流到缓流均有可能发生，导致水流流态更加复杂，在整个排水过程中过闸水流很难保证持续性合理衔接，易产生远驱水跃或水面跌落，从而产生高流速，引起局部冲刷，造成下游消能防冲设施的破坏，一旦出现问题维修困难，影响区域行洪除涝安全，且造价高昂，动辄千万元。保证过闸水流与闸下水体间的合理衔接，是解决沿海(江)水闸冲刷问题的关键。相关研究表明，通过设置二级消力池，加大下游水深，控制淹没水跃发生，在解决单级消力池出池水面发生较大波动问题的同时，可提高消力池对下游尾水位的适应性，对于解决海潮影响尾水位变动较大的低弗劳德数(Fr)水闸消能问题具有很大优势。

相关学者已对二级或多级消力池开展过大量研究工作，包括消力池的水力特性、布置、体型参数、水力计算等方面。谭高文等[1-2]采用物理模型试验方法，分别研究了低弗劳德数水流单级和二级消力池的水力特性和消能结构特性[1]，采用理论分析和物理模型试验相结合的方法，研究了低弗劳德数水流二级消力池体型参数及其敏感性[2]；黄智敏等基于广东省3座拦河闸除险改造和重建工程的水力模型试验研究成果，对低水头拦河闸下游二级消力池的布置进行研究[3]；对拦河闸下游二级消力池池底作用总水头的计算方法进行分析，提出了二级消力池的水力计算和体形布置方法[4]；吴子荣等[5]通过实际工程的水工模型试验研究，归纳出了低弗劳德数水流多级消力池的一些水力特性；黄朝煊[6]针对消能计算过程中需多次反复试算查表的问题，基于水力学理论、数学推导及Matlab软件数值分析，对多级消能分别进行了总结分析；广东省地方标准软基水闸消能防冲设计规程中，提供了二级消力池的计算方法[7]。前人的研究成果为二级消力池进一步研究及应用提供了依据，但目前专门针对沿海(江)地区水闸二级消力池消能的相关研究较少，与其他地区不同，沿海(江)水闸上下游水位差通常较小，弗劳德数更低，且下游潮(水)位变幅频繁，水力特性更为复杂。为此，本文章以某沿海水闸工程为例，采用三维数值模拟分析与物理模型试验相结合的方法，进行沿海(江)水闸二级与单级消力池的水力特性对比分析及消能影响因素研究。

1 研究方法

三维数值模拟分析采用Flow-3d软件，Flow-3d计算的核心采用真正的三步流体体积法(TruVOF)，在求解流场时，能够对自由表面达到更精确的模拟。采用tecplot360软件对数值模拟结果进行后处理，依次选取不同位置的水流流场剖面图进行分析。

物理模型按重力相似准则设计，几何比尺为40，模型长度约25m，宽度约3m，上游河道按图纸模拟，下游河道概化为梯形断面。模型过闸流量由调节阀控制，电磁流量计量测，测量精度为0.5级；模型下游末端设置调节尾门，控制水位，用水位测针量测，测针读数精度0.1mm；典型断面部分测点，采取超声多普勒三维流速仪(ADV)进行流速大小和流向量测；流态通过在流场中施放示踪剂，利用高性能摄像机记录流场图像，进行对比分析。试验平面布置如图1所示。

图1 物理模型试验平面布置

2 单级与二级消力池水力特性研究

以上海某出海闸为例，内河设计高水位3.75m，外河平均低潮位0.16m。采用控制变量法，分别研究不同下游水位条件下消能特性(工况1、2、3)，与不同过闸流量条件下的消能特性(工况3、4、5)，模拟工况见表1。

表1 主要模拟工况

以工况3为例，数值模拟分析流场分布如图2—3所示，物理模型试验流态照片如图4所示。

图2 单级与二级消力池数值模拟纵向剖面流场—以工况3为例

图3 单级与二级消力池数值模拟水平向剖面流场—以工况3为例

图4 单级与二级消力池物理模型试验闸下流态照片—以工况3为例

典型工况3，数值模拟及物理模型定量流速分布，分别如图5—6所示。

图5 单级与二级消力池平面平均流速分布(数值模拟成果)—以工况3为例

图6 单级与二级消力池平面平均流速分布(物理模型成果)—以工况3为例

消能率的计算公式为：

η=(E1-E2)/E1

(1)

式中，E1—闸前总能量；E2—消力池末端总能量，包含了水流过闸能量损失。

流速分布均匀度的计算公式为：

(2)

各工况单级与二级消力池消能防冲定量分析见表2。

表2 各工况单级与二级消力池消能防冲定量分析

数值模拟分析及物理模型试验在水流流态、流速分布、消能率、流速均匀度等方面的变化规律基本一致，由于物理模型试验的数据采集密度与数值模拟存在差异，两者的定量计算结果呈现一定差异，具体如下。

由图2—4可知，水流流态分布为：①相同上游水位及过闸流量条件下，上下游水位差越大，闸下水流越急、流态越紊乱。②单级消力池水跃的跃首位于消力池斜坡中下段，池中存在回流区和局部水流集中现象，坎后形成较大的水面跌落区；二级消力池的一、二级池内均有发生水跃，一级池跃首出现在消力池斜坡中下段，跃尾在一级池末端，二级池在前2/3范围内形成弱水跃，水流得到了明显的均化，与下游水面衔接较为平顺。③单级消力池水流漩涡主要发生在闸墩后侧区域，二级消力池与其相比，在二级消力池首段的底部也出现大量漩涡，更有利于能量的消散。④单级消力池的水流流态紊乱，出池水流及海漫段水流流线的横向波动幅度较大，且自表层至底层水流横向波动逐渐增强；二级消力池出池水流及海漫段水流流线较为平顺，横向波动幅度明显减小。水流流态分析表明，二级消力池更利于水流能量消散，出池水流与下游水面衔接更为平顺，对下游水位变动的适应性更强，适应区间也更大。

由图5—6可知，总体流速分布为：①单级消力池末端的流速分布呈大锯齿状，变幅较大，均匀性差；二级消力池末端的流速分布呈微波浪状，变幅小，流速更为均匀。②上下游水位差越大，闸下流速横向波动越强，流速梯度越大，但二级消力池整体流速梯度要小于单级。

由图5—6及表2可知，立面流速分布为：①单级消力池末端流速呈表层小、底层大分布规律；二级消力池末端流速呈表层大、底层小分布，与天然河道水流垂向流速分布规律相似。②二级消力池可有效降低进入海漫段水流的底层流速，数值模拟计算的底流速较单级消力池减小28%～40%，物理模型试验计算的底流速较单级消力池减小42%～58%，可有效降低海漫段的冲刷风险。立面流速分布表明，二级消力池对闸下水流垂向流态具有显著改善效果。

由表2可知，消能率为：①沿海(江)水闸的弗劳德数较小，无论是单级消力池，还是二级消力池，消能率均整体偏低。②上下游水位差越大，消能率越高。③二级消力池较单级对消能率有一定提升作用，但提升效果有限，本研究数值模似计算结果提升幅度基本在10%以内，物理模型试验计算结果提升幅度在16%以内。

由表2可知，流速均匀度为：①二级消力池末端的流速分布更为均匀，数值模似计算结果流速均匀度较单级提升6%～34%，物理模型试验计算结果较单级提升3%～21%。②上下游水位差越大，消力池末端流速均匀度越差，二级消力池对流速均匀度的提升效果也越显著。

三维数值模拟及物理模型试验均表明，采用二级消力池可使内外河水位由高到低较平顺衔接，可改善水流流态，减小底层流速，降低闸下冲刷的风险。

3 二级消力池消能影响因素研究

根据前节研究成果，虽然二级消力池对消能率有一定的提升效果，但作用更体现在对闸下水流流态的改善效果上，为进一步研究二级消力池消能效果的影响因素，增加表3中7种研究工况。

表3 二级消力池影响因素分析计算工况

考虑到部分工况跃前断面不典型，跃前水深、流速等在实际工程中也不易准确计算，因此采用闸孔弗劳德数Fr进行分析，以方便运用。各工况下二级消力池消能率、消力池末端流速均匀度计算结果见表4。

表4 各工况二级消力池消能率及消力池末端流速均匀度计算汇总

根据表4计算结果，消能率与闸孔Fr及下游海漫末端Fr关系如图7所示，消能率随着闸孔Fr及下游海漫末端Fr的增大而增大，呈正相关关系。

图7 消能率与闸孔Fr及海漫末端Fr关系

根据表4计算结果，消力池末端流速均匀度与闸孔Fr及下游海漫末端Fr关系如图8所示，消力池末端流速均匀度随闸孔Fr及下游海漫末端Fr的增大而减小，呈负相关关系。

图8 流速均匀度与闸孔Fr及海漫末端Fr关系(数值模拟成果)

4 结语

沿海(江)水闸闸下出现冲刷问题的现象比较普遍，设置二级消力池在应对闸下尾水位变化的低Fr水闸消能问题中具有显著优势。数值模拟及物理模型试验成果均表明，二级消力池布置型式较单级消力池更加适合沿海(江)闸下水位变幅较大的水闸运行条件，可使内外河水位较平顺衔接，提升消力池末端及海漫段的流速均匀度，降低底层流速，可有效降低下游冲刷的风险。上下游水位差越大，二级消力池对水流流态的改善效果越显著。二级消力池消能率与闸孔Fr及下游海漫末端Fr呈正相关关系，消力池末端流速均匀度与其呈负相关关系。

本研究成果对沿海(江)水闸消能防冲设计及工程应用具有一定指导意义，但对二级消力池的体型参数确定及消能率进一步提升还需深化研究。